用直接蒸發(fā)冷卻提高風冷冷水機組性能初步

1、用直接蒸發(fā)冷卻提高風冷冷水機組性能初步    摘要： 本文建立了紙質(zhì)填料的直接蒸發(fā)冷卻器的數(shù)學(xué)模型，分析了直接蒸發(fā)冷卻效率的主要影響因素，并將直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用到風冷冷水機組中，對改進系統(tǒng)進行了模擬仿真，得出了改進系統(tǒng)的性能，對改進系統(tǒng)在我國條件下的應(yīng)用前景進行了預(yù)測。 關(guān)鍵詞： 風冷冷水機組 直接蒸發(fā)冷卻 紙質(zhì)填料 空氣調(diào)節(jié) 節(jié)能   1 前言 隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，空調(diào)設(shè)備的應(yīng)用日益廣泛，給能源尤其是電力造成較大的壓力。如何降低空調(diào)設(shè)備的能源消耗和提高空調(diào)設(shè)備的性能，已經(jīng)成為當前研究的重要課題。 直接蒸發(fā)冷卻是指循環(huán)水與

2、空氣直接接觸而對空氣進行加濕冷卻，基本不消耗或很少消耗一次能源,且對環(huán)境無破壞作用。將直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用到風冷冷水機組，利用蒸發(fā)冷卻對進入冷凝器的空氣進行預(yù)處理，能夠達到節(jié)能和提高系統(tǒng)COP的目的。天津大學(xué)和同濟大學(xué)等已經(jīng)對此作了實驗研究，得出了一些重要結(jié)論，但也有一些不足，主要體現(xiàn)為直接蒸發(fā)冷卻采用的填料為金屬填料，雖然具有較高蒸發(fā)冷卻效率，但是填料厚度大，因而設(shè)備的體積大，適用性有限。本文提出以紙質(zhì)填料作為蒸發(fā)冷卻的填料，對此建立了數(shù)學(xué)模型，分析了直接蒸發(fā)冷卻效率的主要影響因素，并將直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用到風冷冷水機組中，對改進系統(tǒng)進行了模擬仿真，得出了改進系統(tǒng)的性能，對改進系統(tǒng)在我國條件

3、下的應(yīng)用前景進行了預(yù)測。 2 直接蒸發(fā)冷卻器的原理 2.1 直接蒸發(fā)冷卻的原理 直接蒸發(fā)冷卻是指循環(huán)水與空氣直接接觸，利用水蒸發(fā)吸熱對空氣進行冷卻。    直接蒸發(fā)冷卻器主要由紙質(zhì)填料，布水器，接水盤，循環(huán)水泵等組成。紙質(zhì)填料，耐水浸泡，外形為45度斜波紋片相鄰片粘疊成塊,其比表面積為。水被循環(huán)水泵從接水盤中抽出，由布水器均勻地散布到紙質(zhì)填料上，在填料表面形成均勻的水膜，與流經(jīng)填料的空氣發(fā)生熱濕交換后流入接水盤中，循環(huán)使用，水溫近似為空氣的濕球溫度。 當空氣流經(jīng)填料時，一方面，水分蒸發(fā)，吸收空氣的顯熱，空氣被冷卻；另一方面，水蒸氣進入空氣中，空氣得到潛熱

4、，同時被加濕，焓值基本不變?？諝獾臓顟B(tài)變化過程如圖1所示。 1點表示空氣處理前的狀態(tài)，2點表示處理后的狀態(tài)，1、2、3近似為一條等焓線。可以用蒸發(fā)冷卻效率來評價直接蒸發(fā)冷卻器處理空氣的完善程度，其表達式為： ，式中，分別為空氣處理前后的干球溫度，為空氣的濕球溫度。 2.2 直接蒸發(fā)冷卻模型的建立及求解 空氣沿方向X從外界進入紙質(zhì)填料層，水沿Y方向落下，形成水膜，空氣進口干球溫度，濕球溫度，空氣狀態(tài)參數(shù)沿X方向變化，如圖2所示。 為簡化計算，作了如下假設(shè)： （a）水膜厚度均勻，整個水膜的溫度恒定，=0；水溫等于進口空氣的濕球溫度；水膜邊界層空氣達到飽和狀態(tài)，取水膜似的來計算水蒸氣飽和壓力。 （b

5、）設(shè)備保溫性和密封性好，除進出口外，沒有進漏風處，空氣流速U恒定。 （c）由于水的液體熱相對于水的汽化潛熱很小，可忽略不計。 2.2.1 質(zhì)量方程 水的蒸發(fā)量=濕空氣含濕量的增加量 （1） 其中：為按水蒸汽密度差計算的傳質(zhì)系數(shù)（，g代表干空氣的屬性，q代表水蒸氣的屬性，s代表飽和空氣中水蒸氣的屬性。不妨設(shè)空氣入口處水蒸氣分壓力為p,所對應(yīng)的飽和水蒸氣分壓力為，則通過推導(dǎo)可得到： （2） 其中A=，B為大氣壓 ，L為填料厚度。 2.2.2 求解傳質(zhì)系數(shù) 由參考文獻4 可得到紙質(zhì)填料的傳質(zhì)系數(shù):; ;其中U為空氣流 速，L為填料層厚度，為運動粘度; Sc為史密特數(shù),，式中是水蒸汽在空氣中的質(zhì)量擴散

6、系數(shù)。 舍伍德數(shù)：（6）； 將(4)(5)(6)代入(3)式可求得：(7) 2.2.3 能量方程 空氣失去的總熱量=空氣得到的潛熱量,所以，空氣的總能量保持不變，在i-d圖上表現(xiàn)為空氣狀態(tài)變化在一等焓線上，如圖1所示。 2.2.4 求解蒸發(fā)冷卻的出口溫度和效率 空氣入口參數(shù)為：干球溫度，濕球溫度，水蒸氣分壓力為p，焓值為h，含濕量為d；濕球溫度下的飽和水蒸氣分壓力為含濕量為；水溫度。由文獻5有：（8） 式中：; ; ; ; ; /.干空氣（9）；入口濕空氣焓：kJ/.干空氣； 入口濕空氣含濕量：/.干空氣；水蒸氣分壓力：其中B為大氣壓。 由空氣入口參數(shù)所對應(yīng)的水蒸氣p和濕球溫度下的飽和水蒸氣分

7、壓力為的值，代入式（7）和（2），可直接求出出口濕空氣水蒸氣分壓力。出口濕空氣的含濕量：（B為大氣壓） 由可得：出口濕空氣的干球溫度： 蒸發(fā)冷卻效率為： 2.3 蒸發(fā)冷卻效率的影響因素 2.3.1 空氣流速u對效率的影響 空氣流速u越大，空氣與紙質(zhì)填料表面的熱濕交換系數(shù)越大，但另一方面空氣與填料層熱濕交換接觸時間越短，交換越不充分，由圖3可知，風速u越小，效率越大，但處理的風量也越小。這說明用該填料處理空氣時，空氣的迎面流速要選取恰當，過小會造成設(shè)備體積龐大，過大會造成效率低且阻力明顯增大?？諝獾挠媪魉僭?.0m/s左右為宜。    2.3.2 填料厚

8、度L對效率的影響 由圖4可知，隨著填料厚度L的增加，效率明顯升高。當L=0.1m時，效率已達到0.8以上，以后當L繼續(xù)增加時，效率的增加很緩慢，趨于平坦，當L=0.2知，效率已接近于1.0，再增加填料層的厚度L，對空氣的處理已經(jīng)毫無意義?？紤]到設(shè)備的體積，以及空氣的阻力等因素，取填料層厚度L=0.1m，否則填料厚度L太大，會造成設(shè)備體積龐大，同時空氣阻力也會明顯加大，增加風機的能耗和噪聲。 2.3.3 水量w對效率的影響 雖然直接蒸發(fā)冷卻的模型及求解過程中，并未出現(xiàn)w這一變量，實際上水量w對效率的影響是確實存在的。在水量較小的情況下，由于水量不足，并不能使紙質(zhì)填料完全濕潤并在其表面形成均勻的水

9、膜，紙質(zhì)填料的表面積應(yīng)用不充分，所以效率明顯不高?，F(xiàn)在，當水量w增加到一定數(shù)值，能使紙質(zhì)填料完全濕潤并在其表面形成均勻的水膜，紙質(zhì)填料的表面積得以充分利用。此時水量對效率的影響很小，基本上可以忽略不計。當水量過大時，淋水在填料層上從水膜變?yōu)椴粩嗷涞乃?，水對空氣通道的阻塞會愈加嚴重，空氣?cè)的阻力會迅速增加，因此存在一個最佳水量，前面的模型適用于水量充足的情形。 2.4 干球溫度和濕球溫度的影響 由圖5可以看出，隨入口干球溫度的升高，效率有所下降，但變化平緩，影響不顯著。 圖6可以看出，隨濕球溫度的升高，效率變化平緩，影響不顯著。    通過上述分析可以

10、看出，在淋水量充分的情況下，入口空氣干球溫度，濕球溫度對蒸發(fā)冷卻效率的影響不顯著，填料厚度和空氣的流速對蒸發(fā)冷卻效率有著決定的影響，當L或u變化時，效率將有顯著變化。3 蒸發(fā)冷卻技術(shù)在風冷冷水機組中的應(yīng)用3.1 改進的風冷冷水機組 結(jié)合直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)的風冷冷水機組示意圖如圖7所示：    讓環(huán)境空氣先經(jīng)過直接蒸發(fā)冷卻器，充分利用干濕球溫差，使其干球溫度有降到（濕球溫差保持不變，空氣狀態(tài)變化過程如圖1所示），再進入風冷式冷凝器。由于進入 冷凝器的作為冷卻介質(zhì)的空氣溫度下降，相應(yīng)地冷凝溫度也下降，輸入功率減少，制冷量增加，而且直接蒸發(fā)冷卻基本上不消耗電能，

11、因此使系統(tǒng)的COP有較大提高。 盡管被直接蒸發(fā)冷卻的空氣含濕量增加，但是質(zhì)量很好的直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備其出風口可以不帶水，保持風冷冷凝器肋片間的干燥，對傳熱過程無不良影響。3.2 改進系統(tǒng)的性能評價指標 為了更好地說明直接蒸發(fā)冷卻對風冷冷水機組性能的改善，并消除冷水機組的個體性能和不同運行工況，對分析結(jié)果的影響，我們采用了基于相對值的性能評價指標：性能系數(shù)（COP）增加的百分數(shù)用aCOP來表示，制冷量增加的百分數(shù)用a表示，功率減少的百分數(shù)用aP表示，它們分別定義如下： ；其中：，分別表示不采用直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)時的制冷量，功率和性能系數(shù)。，分別表示采用直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)時的制冷量，功率和性能系數(shù)。3.

12、3 風冷冷水機組的性能分析 以p5G144DBE型壓縮機的風冷式冷水機組為研究對象，在環(huán)境溫度從25變化到40時，制冷量和 輸入功率及COP見表1。 表1 風冷冷水機組性能表    環(huán)境溫度()    制冷量（KW）    輸入功率（KW）    COP    環(huán)境溫度()    制冷量（KW）    輸入功率(KW）

13、 COP    40    26.96    12.16    2.218    32    30.56    11.37    2.687    39    27.41  

14、60; 12.06    2.273    31    31.02    11.27    2.752    38    27.86    11.96    2.329    30 

15、;   31.47    11.17    2.817    37    28.31    11.86    2.386    29    31.90    11.07   

16、60;2.883    36    28.76    11.76    2.444    28    32.38    10.97    2.950    35    29.21  

17、;  11.67    2.504    27    32.83    10.87    3.019    34    29.66    11.57    2.564    26&

18、#160;   33.29    10.77    3.090    33    30.11    11.47    2.625    25    33.75    10.67   

19、; 3.161 由上表中的數(shù)據(jù)可知，環(huán)境溫度每變化1，則使制冷量增加大約1.7%，輸入功率減少1.2%，COP增加3.1%。如果使環(huán)境空氣先經(jīng)過直接蒸發(fā)冷卻降溫，其結(jié)果必然將會使冷水機組的COP得到明顯的改善。 3.4 改進系統(tǒng)在全國各城市的性能分析 為了評估改進系統(tǒng)在我國各城市的實用效果，我們對改進系統(tǒng)進行模擬仿真，得出了如下頁表2所示的數(shù)據(jù)。 表2 改進系統(tǒng)性能表    城市    a    aP    acop 

20、;   北京    33.2    26.4    0.918    9.44    5.69    15.67    大連    28.4    25    0.927

21、    4.47    2.94    7.54    廣州    33.5    27.7    0.914    8.04    4.77    13.19   &#

22、160;哈爾濱    30.3    23.4    0.921    9.23    5.94    15.72    昆明    25.8    19.9    0.871  

23、  6.99    4.90    12.23    蘭州    30.5    20.2    0.894    13.39    8.81    23.38    南京

24、0;   35    28.3    0.911    9.46    5.45    15.42    上海    34    28.2    0.911    8.0

25、7    4.73    13.18    沈陽    31.4    25.4    0.921    8.15    5.10    13.68    天津   &#

26、160;33.4    26.9    0.917    9.03    5.41    14.93    烏魯木齊    34.1    18.5    0.894    21.37 &#

27、160;  13.48    37.73    武漢    35.2    28.2    0.911    9.92    5.70    16.18    西安    35.2

28、    26    0.917    13.14    7.70    21.85    香港    32.4    27.3    0.916    6.98   &#

29、160;4.23    11.50    重慶    36.5    27.3    0.914    13.34    7.56    21.91 表4-2中表示夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算干球溫度，表示濕球溫度，表示直接蒸發(fā)冷卻效率，a表示制冷量增加的百分數(shù)，aP表示輸入功率減少的百

30、分數(shù)，aCOP表示COP增加的百分數(shù)。 從上表可以看出：在計算的所有城市中，改進的風冷冷水機組的COP均有所提高，制冷量都有不同程度的增加，輸入功率都有減少。在一些沿海城市如大連，香港等地COP增幅較小，約為7%到12%，制冷量增加百分比為4%8%，功率減少的百分數(shù)為3%到4%；環(huán)境空氣干濕球溫差較大的我國西北地區(qū)，COP增幅最大，其中烏魯木齊高達37.73%，蘭州高達23.38%，西安高達21.85%，制冷量增加的百分數(shù)分別為21.37%、13.14%和13.39%，輸入功率減少的百分數(shù)為10%左右；絕大部分城市的COP增幅為10%到16%，制冷量增加8%到10%，輸入功率減少為5%到10%。COP值明顯提高，是由于雙向得益；制冷量的增加和輸入功率的下降。改進系統(tǒng)基本上適用于我國的所有城市，在我國具有廣泛的應(yīng)用前景。 3.5 改進系統(tǒng)的性能影響因素干濕球溫差    改進系統(tǒng)與一般的風冷式冷水機組相比，其最大的不同是利用了直接蒸發(fā)冷卻器，對進入冷凝器的空氣進行了預(yù)冷卻，充分利用了自然環(huán)境中的空氣的干濕球溫差。干濕球溫差是改進系統(tǒng)性能的主要影響因素。 由圖10、11、12可見，隨著干濕球溫差